薄膜材料介绍

,薄膜材料介绍,客户服务部陈维涛,薄膜材料定义,薄膜材料制备,1,2,薄膜材料应用,3,目录,薄膜材料历史,最古老的薄膜薄膜制备可上溯至三千多年前的中国商代，那时我们的祖先就已经会给陶瓷上“釉”了。汉代发明了用铅作助溶剂的低温铅釉。到了唐、宋时代，中国人的彩釉工艺达到了顶峰。釉涂层不仅是漂亮的装饰层，而且增加了陶瓷器的机械强度，还使其不易污染、便于清洗。,薄膜材料历史,可能最早的纳米薄膜：古代铜镜表面的防锈层（纳米氧化锡薄膜）其年代可以追溯到商代，甚至更早。,薄膜学,薄膜的历史，要追溯到三千多年以前。近30年来，真正作为一门新型的薄膜科学与技术。目前，薄膜材料已是材料学领域中的一个重要分支，它涉及物理、化学、电子学、冶金学等学科，在国防、通讯、航空、航天、电子工业、光学工业等方面有着特殊的应用，逐步形成了一门独特的学科“薄膜学”。,薄膜材料定义,当固体或液体的一维线性尺度远远小于其他二维时，我们将这样的固体或液体称为膜。薄膜材料的厚度为1nm1um之间，它无法单独存在，只能依附在基底上。,生活中的薄膜,生活中的薄膜,薄膜材料分类,薄膜材料,涂层或厚膜,薄膜(1um),(力、热、磁、生物等),薄膜材料优点,薄膜材料是相对块体材料而言，但不是简单地将块体材料压薄而成的，而是采用特殊的方法在体材料表面制备一层与体材料性质完全不同的物质层，它一般具有特殊的材料性能或性能组合。在真空薄膜沉积过程中，可以看成是原子级的铸造工艺，它是将单个原子一个一个地凝结在衬底表面形成薄膜。,薄膜材料定义,薄膜材料制备,1,2,薄膜材料应用,3,目录,薄膜制备方法,制备技术,湿式成膜,电镀,物理气相沉积技术（真空蒸镀、溅射镀膜）,化学气相沉积技术（热CVD、光CVD）,干式成膜,化学镀,阳极氧化,涂覆法（喷涂、甩胶、浸涂）,溶胶-凝胶膜,典型制备方法,物理气相沉积(PVD)原子分子的物理迁移PLD，MegnetronSputtering，ALD，MBE化学气相沉积原子分子的化学反应CVD，AMO-CVD，溶胶凝胶法,物理成膜,利用蒸发、溅射沉积或复合的技术，不涉及到化学反应,成膜过程基本是一个物理过程而完成薄膜生长过程的技术,以PVD为代表。,1.定义,2.成膜方法与工艺,真空蒸发镀膜（包括脉冲激光沉积、分子束外延）溅射镀膜离子成膜,物理成膜,Target/evaporatedsourceSubstratesurfaceAtomicrainClustersParticlesDischargeImpurity,ContaminationVacuum,CloudEarthsurface-groundNaturalrainSnowHailThunderstormDust,PollutionEnvironmentalprotection,Cloud,原子层的晶体生长“世界”与自然世界的比拟,真空蒸镀,真空室内加热的固体材料被蒸发汽化或升华后，凝结沉积到一定温度的衬底材料表面。形成薄膜经历三个过程：,蒸发或升华。通过一定加热方式使被蒸发材料受热蒸发或升华，由固态或液态变成气态。输运到衬底。气态原子或分子在真空状态及一定蒸气压条件下由蒸发源输运到衬底。吸附、成核与生长。通过粒子对衬底表面的碰撞，衬底表面对粒子的吸附以及在表面的迁移完成成核与生长过程。是一个以能量转换为主的过程。,工艺原理,真空蒸镀,对于化合物和合成材料，常用各种蒸发法和热壁法。,1）闪蒸蒸发（瞬间蒸发）：,呈细小颗粒或粉末的薄膜材料，以极小流量逐渐进入高温蒸发源，使每个颗粒在瞬间全蒸发，成膜，以保证膜的组分比例与合金相同。,2）多源蒸发：,组成合金薄膜的各元素，各自在单独的蒸发源中加热，蒸发，并按薄膜材料组分比例成膜。,3）反应蒸发：,真空室通入活性气体后，其原子、分子与来自蒸发源的原子，分子，在衬底表面反应生成所需化合物。一般用金属或低价化合物反应生成高价化合物。,真空蒸镀,4）分子束外延(MBE),分子束外延是以蒸镀为基础发展起来的技术。,外延（epitaxy）,指在单晶基体上成长出位向相同的同类单晶体（同质外延），或者成长出具有共格或半共格联系的异类单晶体（异质外延）。,真空蒸镀,原理：在超高真空条件下，将各组成元素的分子束流以一个个分子的形式喷射到衬底表面，在适当的温度下外延沉积成膜。,目前MBE的膜厚控制水平达到单原子层，可用于制备超晶格、量子点，及3-5族化合物的半导体器件。,应用,真空蒸镀,5）脉冲激光沉积(PLD),利用脉冲聚焦激光烧蚀靶材，使靶的局部在瞬间受高温汽化，在真空室内的惰性气体羽辉等离子体作用下活化，并沉积到衬底的一种制膜方法。,化学成膜,有化学反应的使用与参与，利用物质间的化学反应实现薄膜生长的方法。,化学气相沉积(CVDChemicalVaporDeposition)液相反应沉积(液相外延),化学气相沉积,气相沉积的基本过程包括三个步骤：即提供气相镀料；镀料向镀制的工件或基片输送；镀料沉积在基片上构成膜层。气相沉积过程中沉积粒子来源于化合物的气相分解反应，因此，称为化学气相沉积（CVD），否则，称为物理气相沉积（PVD）。CVD与PVD的不同处：沉积粒子来源于化合物的气相分解反应。,原理,化学气相沉积,CVD薄膜生长过程,反应气体向衬底表面输运扩散；反应气体在衬底表面吸附；衬底表面气体间的化学反应，生成固态和气态产物，固态生成物粒子经表面扩散成膜；气态生成物由内向外扩散和表面解吸；气态生成物向表面区外的扩散和排放。,TiCl4+CH4TiC+4HCl,化学液相沉积,概念：利用液相中进行的反应而沉积薄膜的方法。主要方法：,液相外延技术化学镀电化学沉积溶胶-凝胶法LB膜技术,化学液相沉积,液相外延技术,在单晶衬底上生长外延层的成膜方法，主要技术有倾斜法、浸渍法和滑动舟法。,在适当的电解液中，用Al、Ta、Ti、V等金属作阳极，石墨或金属本身作阴极。在直流电场作用下，阳极金属表面会形成稳定的氧化物薄膜。其过程经历了金属的氧化、金属的溶解、氧化物的溶解过程。,阳极氧化,化学液相沉积,化学镀,电化学沉积,利用在特定的电解液中的电解反应，在底板的衬底上进行镀膜的方法。,利用还原剂在镀层物质的溶液中进行化学还原反应，并在衬底表面得到镀层的方法。,无机材料或高分子聚合物溶解，制成均匀溶液，将干净的玻片或其它基片插入溶液，或滴数滴溶液在基片上，用离心甩胶等方法敷于基体表面形成胶体膜，然后进行干燥处理，除去溶剂制得固体薄膜。,溶胶-凝胶法,薄膜的形成机理,薄膜的生长过程(1)核生长型（VolmerVeber型）特点：到达衬底上的沉积原子首先凝聚成核，后续飞来的沉积原子不断聚集在核附近，使核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜。这种类型的生长一般在衬底晶格和沉积膜晶格不相匹配（非共格）时出现，大部分的薄膜的形成过程属于这种类型。,薄膜的形成机理,(2)层生长型（Frank-VanberMerwe型）特点：沉积原子在衬底的表面以单原子层的形式均匀地覆盖一层，然后再在三维方向上生长第二层、第三层。一般在衬底原子与沉积原子之间的键能接近于沉积原子相互之间键能的情况下（共格）发生这种生长方式的生长。以这种方式形成的薄膜，一般是单晶膜，并且和衬底有确定的取向关系。例如在Au衬底上生长Pb单晶膜、在PbS衬底上生长PbSe单晶膜等。,薄膜的形成机理,(3)层核生长型（StraskiKrastanov型）特点：生长机制介于核生长型和层生长型的中间状态。当衬底原子与沉积原子之间的键能大于沉积原子相互之间键能的情况下（准共格）多发生这种生长方式的生长。在半导体表面形成金属膜时常呈现这种方式的生长。例如在Ge表面上沉积Cd，在Si表面上沉积Bi、Ag等都属于这种类型。,薄膜的形成机理,三种不同的薄膜生长方式,薄膜的形成机理,小岛阶段结合阶段沟道阶段连续薄膜,在薄膜的三种生长方式种，核生长型最为普遍，在理论上也较为成熟，我们主要讨论这种类型的形成机理。,基底种类,基底又称：基片，衬底,陶瓷基底金属基底各种工具刀具件玻璃基底树脂基底高分子基底柔性基底,玻璃,晶圆,薄膜基底,薄膜基底,各种各样的薄膜,各种各样的薄膜,各种各样的薄膜,硅基底上的SiO2薄膜,基底选择,衬底与外延膜的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低；衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏；衬底与外延膜的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降；材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，成本不宜很高。,薄膜材料定义,薄膜材料制备,1,2,薄膜材料应用,3,目录,表面改性,表面改性：在保持块体材料固有特性（例如机械强度等）的优点的基础上，仅对表面进行加工处理，使其产生新的物理、化学特性以及所需要功能的各种方法，统称表面改性。表面改性的目的：使结构材料功能化，一般是通过对结构材料进行表面处理赋予其新功能，如耐蚀、耐热、耐磨、耐氧化、光泽性、润滑性。按大的领域，表面改性主要用于汽车、船舶、航空及航天、发电等能源相关的运动机械系统，以及相应的部件、装置等。意义：表面改性不仅可以提高经济效益，而且对于节省资源、能源，开发材料新功能，提高可靠性，实现轻薄短小化都具有十分重要的意义。,表面改性,表面改性,超硬膜用于切削刀具,TiC、CrC、TiN、TiCN、Al2O3薄膜特性：熔点高、硬度大、摩擦系数低、化学稳定性好，用于耐磨抗蚀的表面效果,超硬膜用于切削刀具,超硬膜用于切削刀具,发展趋势：利用PVD和CVD法对高速钢刀具进行TiN镀层处理，是高速钢刀具的一场革命。氮化钛镀层保证高速钢刀具能在更高的切削速度、更大的进给量下切削，并使刀具寿命延长。据报道，一些发达国家的不重磨刀具中，30%50%是加涂耐磨镀层的。一些专家曾预言，国外在今年内，TiN镀层刀具至少将占齿轮加工刀具市场的70%。,薄膜太阳能电池,由于成本低、能耗低、工艺简单、柔性衬底的优势，在太阳能电池投资热潮中，硅薄膜电池成为热点中的热点。薄膜太阳能电池在未来510年内将以50%左右的年平均增长率增长，到2030年将占整体太阳能电池份额的30%以上。,薄膜太阳能电池,相变存储器,相变存储器（PCRAM）技术是基于相变材料（主要为硫系化合物）在晶态（低阻态）和非晶态（高阻态）的可逆转变来实现数据的存储和擦写操作。,写操作（RESET）：施加较大电流脉冲；焦耳热使相变材料温度升高到融化温度（典型相变材料，约600），淬火，1010K/s,成为非晶态；,晶化时间：10ns内完成,相变存储器,49,Dielectriclayer,应用：U盘手机卡MP3/MP4/MP5相机卡摄像机卡电子卡、电子证件其他便携式通讯和信息设备等,手机上的膜,手机屏幕：TFT薄膜三极管，TCO透明导电膜，硬度膜等照相镜头：滤光膜，增透膜，CCD感光膜等手机外壳：金属膜，复合膜，硬度膜等手机内部：芯片，IC电极